Aminoacidi e proteine
I monomeri che costituiscono le proteine sono chiamati aminoacidi perché contengono un gruppo aminico (-NH2) e un gruppo acido (gruppo carbossilico -COOH). Vi è una sola eccezione fra i 20 tipi di aminoacidi esistenti, la prolina, che contiene un gruppo iminico (-NH-). I gruppi aminico e carbossilico sono ambedue legati a un carbonio primario denominato alfa, che inoltre lega un idrogeno e un gruppo variabile, denominato catena laterale, che conferisce a ogni aminoacido caratteristiche peculiari.
Gli aminoacidi possono essere classificati secondo la carica elettrica e l'affinità per l'acqua della loro catena laterale. Avremo così: aminoacidi con carica positiva; con carica negativa; neutri polari (senza carica e idrofilici); neutri apolari (senza carica e idrofobici). Il legame chimico che unisce due aminoacidi a formare un polimero è detto legame peptidico: si instaura tra il gruppo aminico (-NH2) di un aminoacido e il gruppo carbossilico (-COOH) di un altro, con liberazione di una molecola d'acqua.
Una singola catena lineare di aminoacidi è chiamata polipeptide; se il polipeptide è corto (meno di 30 aminoacidi) prende il nome di oligopeptide. Ogni polipeptide ha un gruppo aminico libero a una estremità (estremità N-terminale) e un gruppo carbossilico libero all'altra (estremità C-terminale). Alcune proteine sono costituite da un solo polipeptide, ma la maggior parte è costituita da più di una catena polipeptidica. Per esempio, l'emoglobina, proteina dei globuli rossi in grado di trasportare l'ossigeno, è formata da quattro polipeptidi, a due a due uguali.
Molti dei legami che si instaurano fra gli atomi di una catena peptidica permettono loro di ruotare liberamente facendo perno sull'asse costituito dal legame stesso, il che conferisce alla struttura della proteina una grande flessibilità. Anche se in teoria una proteina potrebbe assumere un grande numero di forme diverse, in realtà la maggior parte delle catene peptidiche si ripiega in una determinata conformazione, detta nativa. Ciò è dovuto al fatto che le catene laterali dei vari aminoacidi formano tra loro e con l'acqua legami deboli, in base alle loro caratteristiche elettrochimiche.
La conformazione nativa di una proteina può essere alterata mediante trattamenti chimici o con il calore, in modo che la proteina perda la forma originale. Se però il trattamento è blando, e si ricostituiscono le condizioni ideali, la proteina è in grado di assumere nuovamente le forme e le funzioni originali (rinaturazione).
Nella struttura delle proteine sono individuabili quattro livelli di organizzazione: la struttura primaria si riferisce alla sequenza lineare degli aminoacidi lungo la catena polipeptidica e alla localizzazione di legami forti (per esempio, ponti disolfuro -S-S-) all'interno della catena; la struttura secondaria descrive il ripiegamento di parti della catena in strutture regolari (alfa-elica o piano-beta); la struttura terziaria include il ripiegamento, fra di loro, delle regioni organizzate in strutture regolari (alfa-elica e piano-beta) dando luogo a combinazioni molto stabili (domini), che si possono trovare ripetute nella stessa proteina; la struttura quaternaria si riferisce alle interazioni deboli che legano diverse catene polipeptidiche in una singola proteina, come, per esempio, nell'emoglobina.
Come già accennato, un evento importante nel determinare la forma di una proteina è la presenza di ponti disolfuro (-S-S-), un legame forte che si instaura tra due residui (-SH) di un aminoacido solforato, la cisteina, più volte presente nella sequenza polipeptidica della stessa proteina o in catene diverse che costituiscano più subunità di una stessa proteina. Questi legami servono a stabilizzare le proteine, in modo particolare quelle esposte sul versante esterno della membrana cellulare, o libere nell'ambiente extracellulare. Altre modificazioni intervengono poi a stabilizzare la struttura della proteina: per esempio, la formazione di legami forti con gruppi fosforici o glicidici, come nel caso delle glicoproteine. Importante a tale fine è pure l'influenza esercitata da piccole molecole, non peptidiche, strettamente legate alla proteina, che ne costituiscono il cosiddetto gruppo prostetico: questo gruppo gioca un ruolo cruciale nel funzionamento della proteina, come accade per il gruppo eme (gruppo prostetico dell'emoglobina) contenente l'atomo di ferro che lega l'ossigeno e attorno al quale si piegano e stabilizzano le quattro catene polipeptidiche o globine.
In molti casi la proteina è dapprima prodotta come precursore polipeptidico, e successivamente va incontro a tutte le modificazioni che la rendono funzionale. Il risultato ultimo di tutte queste reazioni e interazioni è che le proteine si avvolgono spontaneamente in conformazioni caratteristiche: sferiche o ellissoidali per le proteine globulari; fibrose o allungate per le proteine fibrose.
Gli schemi di ripiegamento delle proteine che ricorrono più comunemente sono quelle a piano-beta e quelle ad alfa-elica. La struttura a piano-beta costituisce il cuore di molte proteine globulari ed è formata da una catena polipeptidica più volte ripiegata su se stessa, come un metro da falegname, in cui ogni segmento è orientato in direzione opposta ai due contigui. Si formano legami fra i vari segmenti e il risultato è una struttura piana molto rigida. L'alfa-elica si determina quando una singola catena polipeptidica, in conseguenza delle caratteristiche degli aminoacidi che la compongono, si avvolge su se stessa a spirale regolare, fino a costituire un cilindro rigido in cui si formano legami deboli, ma in grado di stabilizzare la struttura fra gli aminoacidi di ogni giro della spirale dell'elica.
Un'unità proteica che possieda un sito di legame complementare a un'altra regione della propria superficie è in grado di interagire formando aggregati geometricamente regolari: prendono corpo in questo modo le strutture, le quali svolgono uno dei principali compiti delle proteine, detto appunto funzione strutturale. Proteine geometricamente organizzate formano la struttura di sostegno della cellula; se sono proteine interne contribuiscono a determinarne dimensione, forma e possibilità di movimento; se sono proteine extracellulari legano fra di loro le cellule formando tessuti e organi, e forniscono la matrice in cui le cellule possono crescere.
Le proteine che partecipano allo svolgimento di queste funzioni sono dette proteine strutturali. Ne è un esempio il collagene, in cui tre catene polipeptidiche si avvolgono l'una intorno all'altra a formare una sorta di corda. L'ulteriore organizzazione di tali corde di collagene dà luogo a tessuti connettivi come i tendini, strutture molto resistenti alla tensione. Al contrario, proteine come l'elastina, la cui catena polipeptidica non ha un alto grado di organizzazione, si congiungono trasversalmente fra di loro, dando origine a un materiale elastico simile alla gomma. Come il collagene, anche l'elastina è secreta negli spazi extracellulari; si localizza però in tessuti quali le arterie e i polmoni, di cui permette l'estensione e la deformazione senza danni. Un esempio di proteina a più subunità, che si aggrega in conformazione elicoidale regolare, è il filamento di actina, costituente di base dei muscoli. Esso è formato da due filamenti elicoidali avvolti l'uno intorno all'altro, ognuno dei quali è un polimero di più copie (monomeri) di una singola proteina, l'actina. Le interazioni regolari, tra monomero e monomero, sono responsabili della generazione delle fibre elicoidali.
